Автоматический анализатор поточного типа

Введение

Автоматический анализатор с использованием проточной технологии

Автоанализатор – это автоматический анализатор, использующий проточную технологию, известную как непрерывный проточный анализ (CFA) или, точнее, сегментированный проточный анализ (SFA), впервые разработанный компанией Technicon Corporation. Прибор был изобретен в 1957 году Леонардом Скеггсом и коммерциализирован компанией Technicon под руководством Джека Уайтхеда. Первоначально он применялся для клинического анализа, но вскоре были разработаны методы для промышленного и экологического анализа. В основе конструкции лежит сегментирование непрерывного потока с помощью воздушных пузырьков.

Принцип работы

Анализ непрерывного потока (CFA) — это общий термин, охватывающий как сегментированный анализ потока (SFA), так и анализ потоком впрыска (FIA). В сегментированном анализе потока непрерывный поток вещества разделяется воздушными пузырями на отдельные сегменты, в которых протекают химические реакции. Непрерывный поток жидких образцов и реагентов объединяется и транспортируется по трубкам и смесительным катушкам. Трубки передают образцы из одного аппарата в другой, при этом каждый аппарат выполняет различные функции, такие как дистилляция, диализ, экстракция, ионный обмен, нагрев, инкубация и последующая регистрация сигнала. Существенным принципом SFA является введение воздушных пузырей. Воздушные пузыри разделяют каждый образец на дискретные порции и служат барьером между порциями, предотвращая перекрестное загрязнение при их движении по длине стеклянной трубки. Воздушные пузыри также способствуют перемешиванию, создавая турбулентный поток (болюсный поток), и обеспечивают операторам быструю и простую проверку характеристик потока жидкости. Образцы и стандарты обрабатываются абсолютно идентичным образом по всей длине проточного тракта, что устраняет необходимость в сигнале установившегося состояния. Однако, поскольку наличие пузырьков создает почти прямоугольный профиль сигнала, перевод системы в установившееся состояние не существенно снижает производительность (анализаторы CFA третьего поколения в среднем обрабатывают 90 и более образцов в час) и является предпочтительным, поскольку сигналы установившегося состояния (химическое равновесие) более точны и воспроизводимы. Достижение установившегося состояния позволяет достичь минимальных пределов обнаружения. Непрерывный сегментированный анализатор потока (ССП) состоит из различных модулей, включая пробоотборник, насос, смесительные катушки, опциональные процедуры обработки образцов (диализ, дистилляция, нагрев и т. д.), детектор и генератор данных. Большинство анализаторов непрерывного потока основаны на колориметрических реакциях с использованием проточного фотометра, однако также разработаны методы, использующие ISE, пламенную фотометрию, ICAP, флюорометрию и т.д.

Continuous flow analysis (CFA) is a general term that encompasses both segmented flow analysis (SFA) and flow injection analysis (FIA). In segmented flow analysis, a continuous stream of material is divided by air bubbles into discrete segments in which chemical reactions occur. The continuous stream of liquid samples and reagents are combined and transported in tubing and mixing coils. The tubing passes the samples from one apparatus to the other with each apparatus performing different functions, such as distillation, dialysis, extraction, ion exchange, heating, incubation, and subsequent recording of a signal. An essential principle of SFA is the introduction of air bubbles. The air bubbles segment each sample into discrete packets and act as a barrier between packets to prevent cross contamination as they travel down the length of the glass tubing. The air bubbles also assist mixing by creating turbulent flow (bolus flow), and provide operators with a quick and easy check of the flow characteristics of the liquid. Samples and standards are treated in an exactly identical manner as they travel the length of the fluidic pathway, eliminating the necessity of a steady state signal, however, since the presence of bubbles create an almost square wave profile, bringing the system to steady state does not significantly decrease throughput ( third generation CFA analyzers average 90 or more samples per hour) and is desirable in that steady state signals (chemical equilibrium) are more accurate and reproducible. Reaching steady state enables lowest detection limits to be reached. A continuous segmented flow analyzer (SFA) consists of different modules including a sampler, pump, mixing coils, optional sample treatments (dialysis, distillation, heating, etc. ), a detector, and data generator. Most continuous flow analyzers depend on color reactions using a flow through photometer, however, also methods have been developed that use ISE, flame photometry, ICAP, fluorometry, and so forth.

Анализатор впрыска потока

Анализ поточного впрыска (FIA) был представлен в 1975 году Рузичкой и Хансеном. Первое поколение технологии FIA, известное как поточный впрыск (FI), было вдохновлено техникой AutoAnalyzer, изобретенной Скеггсом в начале 1950-х годов. В то время как AutoAnalyzer Скеггса использует воздушную сегментацию для разделения текущего потока на множество дискретных сегментов, формируя длинную цепочку отдельных образцов, движущихся по протоку, системы FIA отделяют каждый образец от последующего с помощью переносного реагента. В то время как в AutoAnalyzer образец смешивается с реагентами однородно, во всех методах FIA образец и реагенты объединяются для формирования градиента концентрации, который дает результаты анализа. Методы FIA могут использоваться как для быстрых, так и для медленных реакций. Для медленных реакций часто используется нагреватель. Реакция не обязательно должна завершиться, поскольку всем образцам и стандартам предоставляется одинаковый период времени для реакции. Для типичных анализов, обычно измеряемых с помощью FIA (например, нитрита, нитрата, аммиака, фосфата), пропускная способность часто составляет 60-120 образцов в час. Методы FIA ограничены временем, необходимым для получения измеримого сигнала, поскольку время прохождения через трубку имеет тенденцию расширять пики до такой степени, что образцы могут сливаться друг с другом. Как общее правило, методы FIA не следует использовать, если адекватный сигнал не может быть получен в течение двух минут, а предпочтительно менее чем за одну. Реакции, требующие более длительного времени реакции, следует проводить с сегментацией потока. Однако, учитывая количество публикаций по FIA и широкое разнообразие применений FIA для серийных анализов, ограничение по времени в "одну минуту" не представляется серьезным ограничением для большинства реальных анализов. Тем не менее, анализы, основанные на медленных химических реакциях, должны проводиться либо в режиме остановленного потока (SIA), либо с сегментацией потока. OI Analytical в своем газодиффузионном амперометрическом методе определения общего цианида использует технику сегментированного поточного впрыска, которая позволяет проводить реакции до 10 минут. Technicon экспериментировал с FIA задолго до того, как она была популяризирована Рузичкой и Хансеном. Андрес Феррари сообщил, что анализ был возможен без пузырьков, если увеличить скорость потока и уменьшить диаметр трубок. Фактически, первые попытки Скеггса по созданию автоанализатора не предусматривали сегментацию. Technicon отказался от развития FIA, поскольку это увеличивало расход реагентов и стоимость анализа. Второе поколение техники FIA, известное как последовательный инъекционный анализ (SIA), было разработано в 1990 году Рузичкой и Маршалом и в течение следующего десятилетия было доработано и миниатюризировано. Он использует программирование потока вместо режима непрерывного потока (как в CFA и FIA), что позволяет адаптировать скорость и направление потока к потребностям отдельных этапов аналитического протокола. Реагенты смешиваются путем изменения направления потока, а измерение проводится, когда реакционная смесь останавливается в детекторе путем прекращения потока. Микроминиатюрная хроматография проводится на микроколонках, которые автоматически регенерируются с помощью микрофлюидных манипуляций. Дискретное дозирование и измерение микролитровых объемов образца и реагента, используемых в SI, приводит к образованию отходов только при каждом впрыске образца. Обширная литература по FI и SI подтверждает универсальность FI и SI и их полезность для рутинных анализов (в почве, воде, экологических, биохимических и биотехнологических анализах), что демонстрирует их потенциал в качестве универсального исследовательского инструмента.

Flow injection analysis (FIA), was introduced in 1975 by Ruzicka and Hansen, The first generation of FIA technology, termed flow injection (FI), was inspired by the AutoAnalyzer technique invented by Skeggs in early 1950s. While Skeggs' AutoAnalyzer uses air segmentation to separate a flowing stream into numerous discrete segments to establish a long train of individual samples moving through a flow channel, FIA systems separate each sample from subsequent sample with a carrier reagent. While the AutoAnalyzer mixes sample homogeneously with reagents, in all FIA techniques sample and reagents are merged to form a concentration gradient that yields analysis results. FIA methods can be used for both fast reactions as well as slow reactions. For slow reactions, a heater is often utilized. The reaction does not need to reach completion since all samples and standards are given the same period to react. For typical assays commonly measured with FIA (e. g., nitrite, nitrate, ammonia, phosphate) it is not uncommon to have a throughput of 60 120 samples per hour. FIA methods are limited by the amount of time necessary to obtain a measurable signal since travel time through the tubing tends to broaden peaks to the point where samples can merge with each other. As a general rule, FIA methods should not be used if an adequate signal cannot be obtained within two minutes, and preferably less than one. Reactions that need longer reaction times should be segmented. However, considering the number of FIA publications and wide variety of uses of FIA for serial assays, the "one minute" time limitation does not seem to be a serious limitation for most real life assays. Yet, assays based on slow chemical reactions have to be carried either in stopped flow mode ( SIA) or by segmenting the flow. OI Analytical, in its gas diffusion amperometric total cyanide method, uses a segmented flow injection analysis technique that allows reaction times of up to 10 minutes by flow injection analysis. Technicon experimented with FIA long before it was championed by Ruzicka and Hansen. Andres Ferrari reported that analysis was possible without bubbles if flow rates were increased and tubing diameters decreased. In fact, Skegg's first attempts at the auto analyzer did not segment. Technicon chose to not pursue FIA because it increased reagent consumption and the cost of analysis. The second generation of the FIA technique, called sequential injection analysis (SIA), was conceived in 1990 by Ruzicka and Marshal, and has been further developed and miniaturized over the course of the following decade. It uses flow programming instead of the continuous flow regime (as used by CFA and FIA), that allows the flow rate and flow direction to be tailored to the need of individual steps of analytical protocol. Reactants are mixed by flow reversals and a measurement is carried out while the reaction mixture is arrested within the detector by stopping the flow. Microminiaturized chromatography is carried out on microcolumns that are automatically renewed by microfluidic manipulations. The discrete pumping and metering of microliter sample and reagent volumes used in SI only generates waste per each sample injection. The enormous volume of FI and SI literature documents the versatility of FI and SI and their usefulness for routine assays (in soil, water, environmental, biochemical and biotechnological assays) has demonstrated their potential to be used as a versatile research tool.

Модуль диализатора

В медицинском тестировании и промышленных образцах с высокими концентрациями или мешающими веществами в приборе часто используется модуль диализатора, в котором аналит проникает через диализную мембрану в отдельный канал потока для дальнейшего анализа. Назначение диализатора – отделить аналит от мешающих веществ, таких как белок, чьи крупные молекулы не проходят через диализную мембрану, а направляются в отдельный поток отходов. Объемы реагентов и образцов, скорости потока и другие параметры анализа прибора зависят от того, какой аналит определяется. Автоанализатор также является очень компактным устройством.

Запись результатов

Ранее выход детектора регистрировался самописцем, а в последнее время – регистратором данных или персональным компьютером, в виде зависимости от времени, так что каждый результат анализа отображается в виде пика, высота которого соответствует концентрации аналита в пробе.

Коммерциализация

В 1980 году Technicon продала свой бизнес компании Revlon, которая позже в 1987 году продала компанию отдельным клиническим (Bayer) и промышленным (Bran+Luebbe, теперь SEAL Analytical) покупателям. В то время промышленные применения составляли около 20% от всех проданных приборов CFA. В 1974 году Рузицка и Хансен провели в Дании и Бразилии первые эксперименты по конкурирующей методике, которую они назвали анализом потока впрыска (FIA). С тех пор эта методика нашла широкое применение в исследованиях и рутинных анализах, и была дополнительно модифицирована за счет миниатюризации и замены непрерывного потока программируемым потоком, управляемым компьютером. В 1960-х годах промышленные лаборатории неохотно использовали автоанализатор. Признание со стороны регулирующих органов пришло после демонстрации того, что методики не отличаются от регистрирующего спектрофотометра с добавлением реагентов и образцов в тех же химических соотношениях, что и традиционно принятые ручные методы. Наиболее известными приборами CFA компании Technicon являются AutoAnalyzer II (представлен в 1970 году), последовательный многоканальный анализатор (SMA, 1969) и последовательный многоканальный анализатор с компьютером (SMAC, 1974). AutoAnalyzer II (AAII) – это прибор, на основе которого были разработаны и на который ссылаются большинство методов EPA. AAII – это анализатор сегментированного потока второго поколения, использующий стеклянные трубки ID диаметром 2 миллиметра и подающий реагент со скоростью потока 2–3 миллилитра в минуту. Типичная производительность AAII составляет 30–60 образцов в час. Анализаторы сегментированного потока третьего поколения были предложены в литературе, но не были коммерчески разработаны до тех пор, пока Alpkem не представила RFA 300 в 1984 году. RFA 300 прокачивает жидкость со скоростью потока менее 1 миллилитра в минуту через стеклянные смесительные катушки диаметром 1 миллиметр. Производительность RFA может достигать 360 образцов в час, но в среднем составляет около 90 образцов в час при большинстве экологических анализов. В 1986 году Technicon (Bran+Luebbe) представила собственную систему микропотока TRAACS 800. Bran+Luebbe продолжала производить AutoAnalyzer II и TRAACS, микропотоковый анализатор для проб окружающей среды и других образцов, представила AutoAnalyzer 3 в 1997 году и QuAAtro в 2004 году. Бизнес Bran+Luebbe CFA был приобретен компанией SEAL Analytical в 2006 году, и они продолжают производить, продавать и поддерживать системы AutoAnalyzer II/3 и QuAAtro CFA, а также дискретные анализаторы. Существуют и другие производители приборов CFA. Skalar Inc., дочерняя компания Skalar Analytical, основанная в 1965 году, со штаб-квартирой в Бреде (Нидерланды), с момента своего основания является независимой компанией, полностью принадлежащей ее сотрудникам. Разработка роботизированных анализаторов, оборудования для определения TOC и TN, а также мониторов расширила линейку продуктов ее долговечных анализаторов непрерывного потока SAN++. Программные пакеты для сбора данных и управления анализатором также являются собственными продуктами, отвечающими последним требованиям к программному обеспечению и поддерживающими все комбинации аппаратного обеспечения анализатора. Например, Astoria Pacific International была основана в 1990 году Раймондом Павиттом, который ранее владел Alpkem. Компания Astoria Pacific, расположенная в городе Клаккамас (штат Орегон, США), производит собственные микропоточные системы. Ее продукция включает в себя линейку анализаторов Astoria для экологических и промышленных применений; анализатор SPOTCHECK для скрининга новорожденных; и FASPac (пакет программного обеспечения для анализа потоков) для сбора данных и компьютерного интерфейса. FIAlab Instruments, Inc., в Сиэтле, штат Вашингтон, также производит несколько систем анализаторов. Alpkem была приобретена Perstorp Group, а затем OI Analytical в Колледж-Стейшн, штат Техас. OI Analytical производит единственный анализатор сегментированного потока, использующий полимерные трубки вместо стеклянных смесительных катушек. OI также является единственным крупным производителем приборов, который предоставляет возможности сегментированного анализа потока (SFA) и анализа потока впрыска (FIA) на одной платформе.

Technicon sold its business to Revlon in 1980 who later sold the company to separate clinical (Bayer) and industrial (Bran+Luebbe now SEAL Analytical) buyers in 1987. At the time, industrial applications accounted for about 20% of CFA machines sold. In 1974 Ruzicka and Hansen carried out in Denmark and in Brasil initial experiments on a competitive technique, that they termed flow injection analysis (FIA). Since then the technique found worldwide use in research and routine applications, and was further modified through miniaturization and by replacing continuous flow with computer controlled programmable flow. During the 1960s industrial laboratories were hesitant to use the autoanalyzer. Acceptance by regulatory agencies eventually came about by demonstration that the techniques are no different from a recording spectrophotometer with reagents and samples added at the exact chemical ratios as traditionally accepted manual methods. The best known of Technicon's CFA instruments are the AutoAnalyzer II (introduced 1970), the Sequential Multiple Analyzer (SMA, 1969), and the Sequential Multiple Analyzer with Computer (SMAC, 1974). The Autoanalyzer II (AAII) is the instrument that most EPA methods were written on and reference. The AAII is a second generation segmented flow analyzer that uses 2 millimeter ID glass tubing and pumps reagent at flow rates of 2 3 milliliters per minute. Typical sample throughput for the AAII is 30 60 samples per hour. Third generation segmented flow analyzers were proposed in the literature, but not developed commercially until Alpkem introduced the RFA 300 in 1984. The RFA 300 pumps at flow rates less than 1 milliliter per minute through 1 millimeter ID glass mixing coils. Throughput on the RFA can approach 360 samples per hour, but averages closer to 90 samples per hour on most environmental tests. In 1986, Technicon (Bran+Luebbe) introduced its own microflow TRAACS 800 system. Bran+Luebbe continued to manufacture the AutoAnalyzer II and TRAACS, a micro flow analyzer for environmental and other samples, introduced the AutoAnalyzer 3 in 1997 and the QuAAtro in 2004. The Bran+Luebbe CFA business was bought by SEAL Analytical in 2006 and they continue to manufacture, sell and support the AutoAnalyzer II/3 and QuAAtro CFA systems, as well as Discrete Analyzers. And there are other manufacturers of CFA instruments. Skalar Inc., subsidiary of Skalar Analytical, founded in 1965, which has its head office in Breda (NL), is since its founding an independent company, fully owned by its personnel. Development in robotic analyzers, TOC and TN equipment, and monitors has extended the product lines of its long life SAN++ Continuous Flow Analyzers. Software packages for data acquisition and analyzer control are also in house products, running with latest software demands and handles all analyzer hardware combinations. Astoria Pacific International, for example, was founded in 1990 by Raymond Pavitt, who previously owned Alpkem. Based in Clackamas, Oregon, U. S. A., Astoria Pacific manufactures its own micro flow systems. Its products include the Astoria Analyzer lines for Environmental and Industrial applications; the SPOTCHECK Analyzer for Neonatal screening; and FASPac (Flow Analysis Software Package) for data acquisition and computer interface. FIAlab Instruments, Inc., in Seattle, Washington, also manufactures several analyzer systems. Alpkem was purchased by Perstorp Group, and then later by OI Analytical in College Station Texas. OI Analytical manufactures the only segmented flow analyzer that uses polymeric tubing in place of glass mixing coils. OI is also the only major instrument manufacturer that provides segmented flow analysis (SFA) and flow injection analysis (FIA) options on the same platform.

Клинический анализ

Автоанализаторы использовались преимущественно для рутинных, повторяющихся медицинских лабораторных исследований, но в последние годы их все чаще заменяли дискретные системы, позволяющие снизить расход реагентов. Эти приборы обычно определяют уровни альбумина, щелочной фосфатазы, аспартат-трансаминазы (АСТ), азота мочевины крови, билирубина, кальция, холестерина, креатинина, глюкозы, неорганического фосфора, белков и мочевой кислоты в сыворотке крови или других биологических образцах. Автоанализаторы автоматизируют повторяющиеся этапы анализа образцов, которые в противном случае выполнялись бы вручную лаборантом, для таких медицинских тестов, как упомянутые выше. Таким образом, автоанализатор может анализировать сотни образцов ежедневно с одним оператором. Ранние приборы AutoAnalyzer последовательно тестировали несколько образцов на отдельные аналиты. Более поздние модели автоанализаторов, такие как SMAC, определяли несколько аналитов одновременно в образцах. В 1959 году Ханс Барух из компании Research Specialties Company представил конкурентную систему анализа, получившую название Дискретный Анализ Образцов и воплощенную в приборе, известном как "Робот-химик". Со временем метод дискретного анализа образцов постепенно вытеснил систему непрерывного потока в клинической лаборатории.

Промышленный анализ

Первые промышленные применения, главным образом для анализа воды, экстрактов почвы и удобрений, использовали то же оборудование и методики, что и в клинических исследованиях, но с середины 1970-х годов были разработаны специальные методы и модули, благодаря чему к 1990 году стало возможным проводить экстракцию растворителями, дистилляцию, онлайн-фильтрацию и УФ-разложение в непрерывном потоке. В 2005 году около двух третей систем, проданных по всему миру, использовались для анализа воды различного типа, от суб-ppb уровней питательных веществ в морской воде до гораздо более высоких концентраций в сточных водах; другие распространенные области применения включают анализ почвы, растений, табака, продуктов питания, удобрений и вина.

Текущее использование

Автоанализаторы по-прежнему используются в некоторых клинических областях, таких как неонатальный скрининг или определение анти-D, но основная часть приборов сейчас применяется в промышленных и экологических исследованиях. Стандартизированные методики опубликованы организациями ASTM (ASTM International), Агентством по охране окружающей среды США (EPA) и Международной организацией по стандартизации (ISO) для анализа таких загрязняющих веществ окружающей среды, как нитриты, нитраты, аммиак, цианиды и фенол. Автоанализаторы также широко применяются в лабораториях по анализу почвы, анализу удобрений, контролю технологических процессов, анализу морской воды, определению загрязнителей воздуха и анализу табачного листа.

Методические таблицы

В Technicon опубликованы методические инструкции для широкого спектра анализов, некоторые из которых приведены ниже. Эти методики и последующие разработки доступны в SEAL Analytical. Списки методик для приборов различных производителей легко найти на их веб-сайтах. № листа. Определение. Образец. Основные реагенты. Колориметр. N 1c. Азот мочевины. Кровь или моча. Диацетилмоноксим. 520 нм. N 2b. Глюкоза. Кровь. Калий феррицианид. 420 нм. N 3b. Азот по Кьельдалю. Продукты питания. Фенол и гипохлорит. 630 нм. P 3b. Фосфат. Вода котловой установки. Молибдат. 650 нм.